ACONDICIONAMIENTO DE IMPRESORA 3D
PARA LA GENERACIÓN DE TELAS NO TEJIDAS
Lorena Balcázar Jiménez
201022905
[email protected]
Asesor: Profesor Jonathan Camargo Leyva
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2016
Agradecimientos
Un agradecimiento especial a mi asesor Jonathan Camargo Leyva, a Juan Manuel Jiménez, a Andrei Alberto Cuenca y a mis papás quienes hicieron posible este proyecto.
Además quiero agradecerle al Departamento de Física por su ayuda en el préstamo de fuentes de alto voltaje y a la fábrica Frencher Ltda por su ayuda en la fabricación del
Tabla de contenido
Agradecimientos 2
1. Introducción 5
2. Marco Teórico 7
2.1 Telas no Tejidas 8
2.2 Historia de las telas no tejidas 8
2.3 Técnicas de fabricación de las telas no tejidas 9
2.4 Fibras Textiles 10
2.5 Impresión 3D en la Industria Textil 11
2.6 Electroloom 12
3. Objetivos 14
3.1 Objetivo General 14
3.2 Objetivos Específicos 14
4. Metodología 14
4.1 Requerimientos y Restricciones 14
4.2 Selección de la técnica de fabricación de telas no tejidas 15
4.2.1 Electrospinning 15
4.2.2 Selección parámetros 18
4.2.3 Condiciones de hilatura 21
4.3 Fabricación prototipo de concepto 21
4.3.1 Fuente de Alto Voltaje 22
4.3.2 Diseño prototipo impresora 24
4.3.3 Fabricación prototipo impresora 27
4.4 Código de implementación del movimiento en prototipo 29
5. Resultados 31
5.1 Selección de parámetros de Electrospinning 31
5.2 Comparación fibras fabricadas y fibras comerciales 32
5.3 Funcionamiento de prototipo impresora e implementación del código 34
6. Conclusiones y Recomendaciones 35
7. Bibliografía 36
8. Anexos 38
8.1 Proyecto Electroloom 38
8.2 Pruebas y fabricación prototipo 38
Índice de figuras
Imagen 1. Resumen técnicas de fabricación de telas no tejidas. [8] 9
Imagen 2. Clasificación de fibras [15] 11
Imagen 3. Edición alfa Electroloom. Obtenida el 10 de marzo de 2016:
http://www.electroloom.com/ 12
Imagen 4. Proceso de impresión 3D Electroloom. Obtenida el 10 de marzo de 2016:
http://www.electroloom.com/ 13
Imagen 5. Electroloom en desarrollo. Obtenida el 10 de marzo de 2016 de:
http://www.electroloom.com/ 13
Imagen 6. Resultados de telas no tejidas obtenidos por Electroloom. Obtenida el 10 de marzo de 2016 de: http://www.electroloom.com/ 13
Imagen 7. Esquema del proceso de electrospinning. Obtenida el 6 de Marzo de 2016 de:
http://sciencelearn.org.nz/Innovation/Innovation-Stories/Revolution-Fibres/Articles/Electrospinning-nanofibres 17
Imagen 8. Esquemático de la fuente de alto voltaje realizado por Andrei Alberto Cuenca Demidova.
22
Imagen 9. Etapas de funcionamiento establecidas para el diseño del generador de alto voltaje. [8] 22
Imagen 10. Modelo CAD de la PCB. [8] 23
Imagen 11. PCB fabricada y ensamblada. [8] 23
Imagen 13. Montaje para experimentación del proceso de electrohilado. 24
Imagen 14. CAD diseño cilindro colector. 25
Imagen 15. Mecanismo impresora LEXMARK utilizado. 25
Imagen 16. CAD diseño soporte aguja. 26
Imagen 23. Generación de tela en proceso. 34
Índice de Tablas
Tabla 1. Parámetros de Electrospinning y sus características. [1] ... 18
Tabla 2. Condiciones de electrospinning. ... 21
Tabla 3. Fabricación prototipo impresora. ... 27
Tabla 4. Resumen de resultados obtenidos en las distintas pruebas realizadas. ... 31
Tabla 5. Imágenes obtenidas a partir de microscopía electrónica de barrido de las fibras de poliéster obtenidas. ... 33
1.
Introducción
El mundo evoluciona, vive en constante cambio. Los humanos queremos, buscamos y hacemos cada vez más. La inmediatez y eficiencia se han convertido en pilares de las industrias. Todos queremos satisfacer nuestras necesidades lo antes posible. Sin embargo, siempre exigimos aspectos como diseño, costo y calidad. Esto ha motivado al ser humano a resolver los retos innovando. La impresión 3D es un ejemplo de esta tendencia.
Una impresora 3D es una máquina capaz de crear objetos volumétricos, por medio de la superposición de capas, a partir de un diseño a computador. Esta tecnología es capaz de fabricar piezas para una gran variedad de aplicaciones. Debido a esto, se han desarrollado diferentes métodos, diseños y materiales de impresión en 3D como respuesta a las necesidades que van surgiendo en los distintos campos e industrias de la sociedad. Si bien ya existen proyectos y prototipos desarrollados, en el presente proyecto se tiene como base la industria textil y de la moda. Todavía falta mucho por abarcar en este campo.
Desde la antigüedad la industria textil ha tenido gran importancia económica. Satisface necesidades del diario vivir de manera más efectiva gracias a la innovación. Esta industria impulsó la fabricación de máquinas autónomas y siempre ha estado involucrada con los avances tecnológicos que se van dando en el mundo. Las condiciones sociales que han alimentado la innovación en esta industria han sido: la conveniencia de nuevos diseños, la búsqueda de procesos de producción más eficientes y la elevación de los estándares de calidad del producto. Actualmente, la impresión 3D es una alternativa que está introduciéndose en esta industria y que posiblemente la revolucionará.
Aunque ya varios diseñadores han experimentado con la impresión 3D (incluso en la alta costura) y han explorado los alcances de esta tecnología en la industria de la moda, la inclusión de la tecnología en la industria textil es algo relativamente nuevo.
El hecho de relacionar dos campos aparentemente lejanos como lo son la ingeniería mecánica y la moda permite abarcar distintos conceptos que llevan a la innovación tecnológica. Una posibilidad que no suena utópica, sería poder imprimir cualquier prenda desde la casa.
En la fabricación de prendas son varios los productos y métodos que se han desarrollado. Uno de ellos ellos es la fabricación de prendas con telas no tejidas. Éstas consisten en una lámina de fibras de filamentos continuos o hilos cortados que forman una red unidos entre sí por cualquier medio a excepción del tejido plano o por punto. Para la generación de estas telas se han desarrollado distintos procesos entre los cuales se encuentran: producción por vía húmeda, por vía seca, por fusión y por electrohilado.
Es importante tener en cuenta que, para la fabricación de estas telas, las fibras textiles se unen de manera aleatoria sin que predomine ninguna dirección a partir de alguno de los procesos mencionados.
Existen distintos tipos de telas no tejidas entre los cuales se encuentran: descartables, baja prestación y alta prestación. Éstas últimas son las de nuestro interés debido a su funcionalidad y a que deben tener un buen acabado y poder ser utilizadas en alta costura. Las telas no tejidas de alta prestación no tienen como base el bajo precio sino un acabado elaborado que responda a determinadas necesidades. Es decir, son telas que requieren un aporte funcional y estético.
A partir de lo anterior, se puede decir que crear una herramienta de fabricación aditiva que permita generar telas sin costuras es el primer paso para poder generar prendas por medio de la impresión 3D.
El poder fabricar vestidos de forma digital a un bajo costo sin limitaciones de diseño ni desperdicio de material, lleva a una gran evolución en la industria de la moda. Es por esto que se han ido generando distintos procesos de producción y materiales que satisfagan los requerimientos del comprador. Hoy en día algunas empresas (menciono algunas más adelante) están desarrollando distintos proyectos relacionados con la investigación de la impresión 3D en esta industria que abarcan tanto nuevos materiales como nuevos métodos de impresión. Electroloom [7] es un proyecto en el cual se está experimentando con una impresora capaz de crear telas no tejidas. Su visión, a futuro, es la posibilidad de diseñar y fabricar ropa desde el hogar. Dreams Lab [5] ha investigado estructuras textiles flexibles que permitan obtener telas impresas en 3D. Esto se encuentra directamente relacionado con la fabricación de aditivos. Tamicare [6]
desarrolló un tejido biodegradable que no causa desperdicio de tela en la fabricación de una prenda y OpenKnit [4] es una herramienta de código abierto que a partir de archivos digitales permite crear ropa a medida.
Si bien existen proyectos que trabajan varios aspectos de la impresión de ropa en 3D todavía hay un gran camino por recorrer para implementar esta nueva tecnología en el diario vivir de la humanidad. En este caso, el proyecto Electroloom es el más cercano al que se quiere realizar. El proceso del proyecto de Electroloom consiste en diseñar un modelo de ropa en CAD y fabricar un molde a partir de este diseño, luego ubicar el modelo en la cabina de impresión para que una solución líquida sea guiada hasta el molde a partir de un campo eléctrico. A diferencia de las impresoras 3D tradicionales que utilizan rollos de filamento de plástico, Electroloom quiere fabricar piezas a partir de soluciones líquidas de material.
En este proyecto de grado, se quiere generar un prototipo de concepto para la fabricación de telas no tejidas de alta prestación a partir de la impresión 3D con el propósito de poder llegar a fabricar prendas completas. Por tanto, se debe buscar la técnica que mejor se adapte a una impresora 3D para generar la tela y que pueda llevar a la fabricación de prendas no tejidas. Se pretende crear un prototipo que consista en la impresión de láminas de tela de polímero con el fin de más adelante puedan llegar a trabajarse en la producción de prendas con formas. Las tres 3 etapas para llevar a cabo el prototipo de este concepto son: selección del proceso de generación de tela no tejida, diseño del prototipo y la implementación de un código que permita el funcionamiento del prototipo.
2.
Marco Teórico
Las necesidades y deseos del ser humano son infinitas, variables y pretenden ser satisfechas de manera efectiva y de inmediato. Una de estas necesidades se refiere al vestido. Esta necesidad responde a causas naturales universales y varía con el clima y las demandas ocupaciones. Gracias a esto, el vestir ha llegado a generar necesidades comerciales que amplían y promueven el desarrollo tecnológico el campo de la actividad textil. La vestimenta responde no sólo a una necesidad de abrigo y cubrimiento para el ser humano sino, también, a requerimientos culturales. Estos últimos ponen retos a la industria textil y de la moda que deben innovar constantemente para satisfacer los gustos cambiantes de los individuos en cada sociedad y cultura.
La industria textil es un sector industrial que se dedica a la producción de fibras, hilados, telas y productos. Los productos textiles son de consumo masivo y, por ende, generan alta oferta de empleos y tienen un peso importante en la economía mundial. Debido a la alta demanda de estos productos a nivel mundial, se han ido generando distintos procesos de producción y materiales que satisfagan las distintas necesidades del consumidor. La manufactura textil consiste en la transformación de materias primas en productos textiles elaborados o terminados para distribución y consumo. Esta industria, va de la mano con todos los avances tecnológicos que se van dando en el mundo.
La elaboración de tejidos se ha dado, primero de manera artesanal, desde la antigüedad y de manera industrial a mediados del siglo XVIII gracias a la invención de los telares mecánicos. Desde esta época y hasta principios del siglo XIX hubo una gran aplicación de maquinaria en la industria teniendo como elemento motor el vapor. Al principio los métodos utilizados por las máquinas fueron los mismos que se empleaban por los trabajadores manuales por lo cual el rendimiento era muy pobre. Por esto, las máquinas de producción textil se fueron perfeccionando hasta poder implementarse en la fabricación de diferentes fibras tanto naturales como sintéticas. En un principio el término textil estaba relacionado únicamente con las telas tejidas. No obstante, con el paso del tiempo y la evolución de esta industria, el término se extendió a telas producidas por métodos distintos al tejido.
Actualmente, los sectores que hacen parte de la industria textil son: producción de fibras (fibra natural y fibra sintética), hilandería, tejeduría, tintorería y acabados, confección, alta costura, no tejidos y tejidos técnicos. Los textiles no tejidos han ido aumentando su importancia y aplicaciones en la industria textil por lo cual se han desarrollado distintas técnicas para su fabricación. Teniendo en cuenta el auge en el que se encuentra la impresión 3D en la actualidad, es evidente que la industria textil busca hacerse un camino en esta nueva era. A pesar de que se han desarrollado impresoras 3D que permiten producir prendas y accesorios, en cuanto a la producción de telas es mucho el camino que falta por recorrer. Las posibilidades de la impresión 3D son enormes por lo cual su uso y aplicaciones no pueden limitarse a un punto de vista comercial sino a una necesidad de personalización e inmediatez por parte del ser humano.
[1],[2],[27],[29],[30]
En este proyecto nos centraremos en los no tejidos los cuales son apreciados para la confección de prendas y accesorios de alto rendimiento.
2.1 Telas no Tejidas
Según los estándares de la ISO 9092 y CEN EN 29092 “la tela no tejida es una lámina de fibras de filamentos continuos o hilos cortados, de cualquier naturaleza u origen, que formaron una red por cualquier medio, y están unidas entre sí por cualquier medio, con excepción del tejido plano o por punto”. De acuerdo a esta definición, las telas no tejidas pueden fabricarse por medio de diversas técnicas y, por ende, en el momento de hacerlo es necesario identificar los usos finales y los requerimientos de las mismas. Las telas no tejidas pueden ser fabricadas a partir de las fibras sin necesidad de convertirlas en hilo. Tienen como ventaja que no se deshilachan lo que los hace apreciados para la confección de prendas de alto rendimiento. Por esto las telas no tejidas se dividen en aquellas de alta prestación, baja prestación y artículos descartables.
En cuanto a las telas no tejidas descartables son aquellas que se encuentran sustentadas por la competitividad, deben ser económicas y tienen un campo de acción limitado. Las de baja prestación son aquellas que buscan reemplazar los materiales tejidos tradicionales y son económicas. Las de altas prestaciones son aquellas que satisfacen necesidades o modas nuevas, no son esencialmente económicas y el éxito de las telas radica en el acabado.
Las telas no tejidas tienen como ventaja que pueden ser diseñadas para un tiempo de vida limitado o para un periodo de duración largo y son 100% reciclables. Dependiendo del proceso al que son sometidas pueden tener características favorables como: absorbencia, resistencia química y mecánica, resistencia a la abrasión, elasticidad, retardación al fuego, repelencia a líquidos, suavidad, filtración, entre otras.
2.2 Historia de las telas no tejidas
La idea de los primeros no tejidos se remonta a la mitología griega con el vellocino de oro. Éste consistía en un velo de fibras de una lana especial que dio inicio a un artículo textil como producto de una fantasía literaria. En el mundo, el velo de lana de cordero fieltrado mecánicamente fue utilizado como abrigo para el ser humano durante un largo periodo de tiempo. Este no tejido se consigue con calor, humedad y frote. Su invención se atribuye a Santiago el Apóstol y a comunidades nómadas (Turquía, Rusia y Asia Central).
Más adelante los egipcios, con la planta de papiro, y los chinos, con el liber de la morera, realizaron mantos de fibras entrelazadas obteniendo láminas de no tejidos. A principios de la era cristiana se documenta la existencia de papel de fibras de rafia, cáñamo y trapo. En el 800 D.C. los chinos utilizaban vestimentas y pañuelos de papel pero hasta el año 1400 D.C. los alemanes desarrollaron una máquina para la fabricación de pasta de papel lo que comienza a aumentar la producción y la utilización de ésta. Alrededor de 1850 se registran patentes en Estados Unidos y Gran Bretaña para la consolidación de velos fibrosos por aglutinamiento químico.
En 1936, la firma Freudemberg obtiene una patente por la disposición aerodinámica de las fibras en el velo. En 1938 se implementa la impregnación del velo con espuma química. En 1942 Freudemberg obtiene la patente de velos encolados en capas. Además, se desarrolla el uso de velos mezclas para mejorar el comportamiento de los productos. En 1948 la firma American Viscose Corp utiliza un producto que combina velos agujereados y fibras termoplásticas. En 1955 aparecen telas no tejidas de metal, aislantes y de fibras de vidrio reforzadas. En 1960 se solicitan patentes para la fabricación de telas no tejidas por fusión.
Desde ahí y hasta la actualidad la producción de telas no tejidas ha crecido tanto en producción como en innovación debido a la gran variedad de aplicaciones que tiene. Es por esto que se han desarrollado distintas técnicas a lo largo de los años para la producción de estas telas. [1],[29]
2.3 Técnicas de fabricación de las telas no tejidas
Para la fabricación de las telas no tejidas existen distintas técnicas que se describen brevemente a continuación. En la Imagen 1 se presenta un esquema de las técnicas más utilizadas a nivel comercial para la fabricación de las telas no tejidas.
Imagen 1. Resumen técnicas de fabricación de telas no tejidas. [28]
Vía Húmeda: Las fibras se suspenden en un medio acuoso al cual se añaden fibras termoplásticas o adhesivos que causan que las fibras se unan entre sí. Estas fibras se acumulan en una cinta transportadora en la cual se escurren y la masa de fibra se deshidrata. Posteriormente, se pasa la manta por una calandra y se somete a alta presión y temperatura la cual ocasiona la unión de las fibras.
Vía Seca: Las fibras se procesan en una carda para obtener una lámina delgada de fibras que se encuentran entrelazadas débilmente entre sí. Las fibras se depositan en una malla de tela o metálica y se pasan por un calandrado donde se derriten las fibras hasta unirse entre sí.
En este caso también pueden incluirse las telas producidas a través de un flujo de aire. Las fibras se suspenden en un flujo de aire y luego se colectan en una tela formando la manta.
Vía Fusión: Las fibras se fabrican a partir de chips de material termoplástico que es extruido, produce filamentos continuos que se dejan caer en una cinta que los transporta hacia el siguiente proceso donde se adhieren entre sí. Este método tiene como variantes: spunbonding, melt bond y SMS (spunbonding-meltblown-spunbonding).
En el caso del spunbonding se funden los chips del material sintético y se recogen filamentos extruidos en forma de hilos continuos en una cinta transportadora de manera aleatoria. Estas fibras se separan por chorros de aire o cargas electroestáticas. Posteriormente, se pasan las fibras por rodillos calientes o punzonado con agujas calientes para que se adhieran entre sí.
En el meltblown se funde el material en una extrusora y luego se pasa por un cabezal con pequeños orificios que empuja un chorro de aire caliente que solidifica el plástico formando una tela de hilos muy finos. Estos hilos se depositan en un cilindro perforado en el cual se forma la manta.
El SMS consiste en fabricar una tela no tejida tricapa, las capas externas se forman por medio de spunbonding y la capa interna por meltblown.
Vía Eléctrica: Las fibras se unen entre sí formando una membrana tridimensional gracias a un campo eléctrico. Se somete una solución polimérica a un alto voltaje que ocasiona el estrechamiento del fluido formando fibras que se acumulan en un colector metálico. En este proceso no es necesario someter las fibras a un método de consolidación, dependiendo de los parámetros del proceso se obtienen distintos acabados en las telas formadas. Esta técnica no es muy utilizada comercialmente a pesar de haberse desarrollado desde hace un largo periodo de tiempo.
En algunos casos, para la consolidación de los filamentos y mejora del acabado superficial los no tejidos se someten a métodos mecánicos (agujas), químicos (resinado) o térmicos (termosoldado). [14]
2.4 Fibras Textiles
En la industria textil una fibra es un conjunto de filamentos o hebras que pueden ser utilizados para formar hilos mediante hilado u otros procesos; la fibra textil es la estructura básica de todo material textil. Las primeras fibras que se emplearon en la historia de los textiles fueron las naturales, sin embargo muy pocas fibras naturales pueden utilizarse industrialmente. Esto se debe a la dificultad que presentan algunas para hilarse o convertirse en tejidos. Por esto se han desarrollado procesos químicos que permiten fabricar fibras con las características adecuadas para ser utilizadas en la industria textil. Las características más importantes de una fibra textil son: flexibilidad, finura y longitud.
Imagen 2. Clasificación de fibras [15]
En la imagen 2 se presenta la clasificación de las fibras, como se puede observar hay fibras naturales y artificiales. Por un lado, las fibras naturales son aquellas que se encuentran en estado natural y que únicamente necesitan una simple adecuación para ser hiladas y utilizadas como textil. La subdivisión de estas fibras depende del reino natural del que proceden: animal, vegetal y mineral. Por otro lado, las fibras artificiales son aquellas que no existen en la naturaleza sino que han sido fabricadas por el humano.
Usualmente las fibras se presentan agrupadas, retorcidas y de diferentes formas. Para que una fibra pueda ser utilizada en la industria textil debe tener ciertas condiciones estructurales y cualidades como la finura, longitud, carácter, rizado, color, brillo, elasticidad, resistencia, elongación, afinidad tintórea, resistencia a distintos agentes, entre otras. La mayoría de las fibras naturales no cumplen con características idóneas para ser trabajadas en la industria textil por lo cual se han fabricado fibras químicamente que pueden adquirir las características necesarias para ser trabajadas. El desarrollo de las fibras artificiales ha llevado a la producción de nuevos tipos de tejidos.
El sector textil abarca la fabricación de tejidos, el diseño de prendas y su confección y el diseño de tecnología que perfeccione hilado de fibra con mayor producción, más calidad y a un menor costo. La innovación en la fabricación de fibras trae consigo la innovación textil.
2.5 Impresión 3D en la Industria Textil
El ser humano ha logrado crear vestimentas de distintos tipos y se ha acostumbrado a descartar sus prendas rápidamente. Las máquinas trajeron precisión y producción en masa en la industria textil, pero actualmente se busca eficiencia y personalización. Es por esto que la impresión 3D es una herramienta ideal para ser implementada en la industria textil. La impresión 3D se ha ido desarrollando en distintos campos de la sociedad debido a que permite realizar objetos tridimensionales a partir de un archivo digital por medio de manufactura aditiva. En la industria textil enfocada en el área de la moda se ha ido desarrollando la idea de crear prendas por medio de la impresión 3D, sin embargo todavía falta mucho por desarrollar.
Como concepto, la impresión 3D no difiere mucho de la 2D puesto que ambas siguen las instrucciones de un programa en el momento de imprimir. El poder llegar a imprimir ropa desde la casa es algo que cada vez se vuelve más real.
Como resultado la impresión 3D reduciría la inversión en producción, permitiría la venta de diseños online en archivos 3D, facilitaría la adquisición de prendas, reduciría impactos ambientales, entre otros. Esta tecnología posiblemente revolucionará la industria de la moda tal como la conocemos y permitirá la impresión personalizada de ropa. Los distintos prototipos y proyectos que actualmente se están desarrollando, permitirán la impresión de textiles y prendas en 3D de una forma ágil, eficiente, personalizada, económica y ecológica.
Hoy en día ya se han diseñado y fabricado vestidos por impresión 3D y esta tecnología ya ha sido llevada a las pasarelas. El primer vestido creado por impresión 3D fue fabricado en 400 horas de trabajo por la impresora MakerBot a partir del uso de filamentos flexibles. Esto demuestra que la impresión 3D es una realidad que comienza a revolucionar la industria textil y, con ello, la moda. No obstante, todavía se debe trabajar en distintos procesos, técnicas y materiales que permitan imprimir ropa en 3D de manera óptima.
2.6 Electroloom
El proyecto Electroloom es un startup de Estados Unidos el cual trabaja la impresión de ropa 3D por medio del proceso electrospinning. Electroloom es la primera impresora 3D textil capaz de fabricar prendas sin aguja ni hilo y sin la necesidad de una tejedora. El proceso de fabricación utilizado lo denominan Field Guided Fabrication (FGF).
La primera impresora desarrollada por este equipo es capaz de crear textiles de colores en alrededor de 20 minutos. En la Imagen 3 se muestra una edición alfa.
Imagen 3. Edición alfa Electroloom. [7]
Actualmente están desarrollando una impresora que en el proceso inclue: diseñar un molde en CAD e imprimirlo, ubicar el molde en la impresora Electroloom; encenderla, esperar a que se fabrique la prenda y retirarla del molde como se muestra en la Imagen 4.
Para el proceso de impresión se utiliza una solución que se esparce sobre el molde gracias a un campo eléctrico, al entrar en contacto con el molde las fibras que se extraen del fluido se unen formando una tela continua. En la Imagen 5 se muestra el prototipo que se está siendo desarrollado actualmente por el equipo.
Imagen 4. Proceso de impresión 3D Electroloom. [7]
Imagen 5. Electroloom en desarrollo. [7]
Electroloom ha trabajado con distintos materiales y aún se encuentra trabajando en posibles materiales y mezclas que puedan utilizarse para la fabricación de prendas en la impresora que han desarrollado. En la Imagen 6 se muestran los resultados que han obtenido hasta el momento.
Imagen 6. Resultados de telas no tejidas obtenidos por Electroloom. [7]
La idea de este proyecto es que el proceso de impresión sea simple y pueda ser utilizado en el hogar. A pesar de que hasta el momento han fabricado prendas muy básicas, el proyecto aún se encuentra en desarrollo. El equipo tiene como visión abrir el mundo del diseño de modas y manufactura a todo el mundo. Como mejoras, debe conseguir prendas lavables, producir una gran variedad de materiales, mejorar la gama cromática, reducir los tiempos y costes de producción. De esta forma la impresión 3D será el futuro modelo de fabricación de la industria textil.
Los avances realizados por este equipo sirvieron de inspiración para la realización de este proyecto.
3.
Objetivos
3.1 Objetivo General
§
Acondicionar un modelo de impresora 3D para la fabricación de telas no tejidas.3.2 Objetivos Específicos
§ Seleccionar una técnica de fabricación de telas no tejidas para automatizarla.
§ Fabricar un prototipo de concepto de una impresora 3D capaz de imprimir telas no tejidas.
§ Crear un código para implementar el proceso de fabricación de la tela en el prototipo de impresora 3D.
4.
Metodología
En un principio se analizaron las técnicas de fabricación de telas no tejidas y se estudiaron los prototipos existentes para la impresión 3D en la Industria Textil enfocados en la confección, esto a partir de la revisión bibliográfica. De esta manera, se pudo elegir la técnica a utilizar y, por ende, los parámetros y requerimientos para la fabricación del prototipo para garantizar el éxito del proyecto. Posteriormente, se procedió al diseño y fabricación de los componentes del prototipo y al ensamblaje de los mismos. Finalmente, se realizó el código de implementación que permite el funcionamiento del prototipo. Una vez el prototipo funcionó correctamente se analizaron los resultados de las fibras obtenidas y de la tela generada.
4.1 Requerimientos y Restricciones
Para el buen desarrollo del proyecto se analizaron y se tuvieron en cuenta de antemano los requerimientos y restricciones. En cuanto a la fabricación del prototipo es importante tener en cuenta los parámetros del montaje de la técnica seleccionada que permitan la implementación y funcionamiento adecuados del mismo. Para el funcionamiento debe haber confiabilidad es decir la probabilidad de que se genere la tela no tejida; seguridad para que no ocurra ningún accidente que perjudique la integridad del personal y del prototipo, manufactura adecuada para que el prototipo cumpla con las características necesarias que lo lleven a un buen funcionamiento y simplicidad para que el prototipo contenga el menor número de componentes posibles. Sumado a lo anterior, es importante tener en cuenta que al ser un prototipo enfocado en la experimentación con telas no tejidas, para más adelante convertirse en un equipo funcional para el hogar, debe tener un tamaño adecuado que permita su transporte y manipulación por cualquier persona.
Las restricciones principales son:
Costo
El costo máximo del proyecto es una restricción de gran importancia debido a que como fuente de financiación se cuenta con un presupuesto de 2 salarios mínimos legales vigentes según las normas del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. Uno de estos salarios va dirigido a la compra de materiales (en efectivo) y otro para procesos de experimentación y manufactura (en especie). Adicionalmente, se cuenta con $ 500,000 COP donados por terceros para gastos en el proyecto. Debido a esto, el proyecto no debe exceder este presupuesto por lo cual es necesario buscar alternativas económicas que lleven al buen desarrollo del mismo.
Tamaño
El prototipo a realizar debe tener dimensiones que permitan que ocupe el menor espacio posible y que, a su vez, no afecten el buen funcionamiento del prototipo. De esta manera se puede fabricar un prototipo enfocado al hogar que permita la generación adecuada de telas no tejidas.
Tiempo
El tiempo para realizar el proyecto es limitado a un semestre universitario por lo cual se debe buscar la forma de hacer el proyecto lo más sencillo posible sin dejar a un lado los objetivos propuestos. El tiempo que se tiene para llevar a cabo el proyecto limita la cantidad de pruebas a realizar y el alcance del prototipo en la fabricación de las telas no tejidas. Además, se debe tener en cuenta que la recepción de los materiales que se pidan puede tardar entre dos semanas y dos meses.
Seguridad
Una vez se ha elegido una técnica de fabricación de las telas no tejidas es importante especificar los aspectos de seguridad que se deben tener en cuenta para garantizar la integridad de los usuarios. Se deben prevenir todos los posibles accidentes con el fin de evitar cualquier riesgo. Para esto debe planificarse el proyecto, asegurarse que las instalaciones donde va a realizarse cumplan con los requisitos para el adecuado desarrollo del proyecto y definir métodos de experimentación seguros.
4.2Selección de la técnica de fabricación de telas no tejidas
4.2.1 Electrospinning
Para la fabricación de las telas no tejidas se ha seleccionado la técnica de electrohilado/electrospinning teniendo en cuenta aspectos como costo, facilidad de implementación, componentes del proceso, acabado y velocidad de fabricación. Esta técnica permite fabricar fibras en escala micro y nanométrica a partir del estiramiento de una solución viscoelástica. El proceso consiste en hacer pasar un fluido (solución de polímero) a través de altos campos magnéticos que sean capaces de superar las fuerzas de la tensión superficial en la solución.
Esta técnica es muy antigua y su origen se remonta a alrededor de 60 años al ser observada en 1897 por Rayleigh quien evaluó el efecto de inducir cargas eléctricas en chorros de agua y la inestabilidad asimétrica del flujo del jet. En 1914 fue estudiada en detalle por Zeleny quien analizó el comportamiento de las gotas de solución en el extremo de un capilar e inició el modelamiento matemático del comportamiento de fluidos bajo fuerzas electroestáticas y fue patentada por Cooley, Morton y Formhals. Este último logró en 1934 describir el proceso a partir del trabajo con acetato de celulosa en su primera patente y en la segunda llevó a cabo un sistema con control de la distancia entre el capilar y el colector. En 1966 Simmons demostró un proceso para la fabricación de telas no tejidas de nanofibras utilizando un colector segmentado para recoger las fibras y ensayando con varias materias orgánicas poliméricas. Alrededor de los 70s distintos investigadores produjeron telas fibrosas a partir de este proceso y de la modificación de algunos de sus parámetros. En 1973 Martin produjo una superficie de fibras para gasas biomédicas. Posterior a esto, investigadores como Reneker profundizaron en la técnica en 1995. [1]
Desde el año 2000 la cantidad de papers y patentes publicadas sobre el proceso de electrospinning ha ido aumentando exponencialmente, especialmente en los últimos 5 años. No obstante, hasta hace poco la demanda de materiales con dimensiones a escala micro y nano han dado mayor importancia a esta técnica que permite transformar gran cantidad de materiales en fibras en estas escalas a un bajo costo y de manera simple. Investigadores de Berkeley han descubierto una forma de utilizar la técnica de campo eléctrico para producir nanofibras de forma directa, continua y controlable, a esta técnica se le denomina electrohilatura de campo electromagnético. Actualmente se están realizando distintos experimentos enfocados en las diversas aplicaciones de este proceso. [27]
Para llevar a cabo el proceso se utiliza un electrodo capilar en forma de aguja por el cual debe pasar el fluido y que está en presencia de un campo eléctrico producido por una fuente de alto voltaje. Cuando la fuente llega a un valor determinado se vence la tensión superficial de la gota que se forma en el extremo de la aguja generando un chorro líquido cargado eléctricamente. Este chorro se mueve en la dirección del campo eléctrico, elongándose de acuerdo a las fuerzas externas e internas, hacia una región de menor potencial donde se encuentra un colector conectado a tierra. A medida que el solvente se evapora, el chorro se estrecha, produciendo fibras continuas que forman una membrana tridimensional.
En este proceso se aplica una carga muy alta a la superficie de la solución polimérica, la diferencia de potencial producida entre los dos electrodos genera una atracción mutua de la carga lo que produce una fuerza en sentido contrario a la tensión superficial de la solución. A medida que aumenta el voltaje, la superficie de la solución se alarga formando el Cono de Taylor hasta llegar a un punto crítico donde la fuerza eléctrica supera la tensión superficial. Cuando la superficie del fluido presenta esta inestabilidad se producen fibras a escalas micro y nano – métricas. Posterior a esto, se produce la evaporación del disolvente y las fibras se depositan en un colector al azar dando como resultado la generación de una tela fibrosa. A continuación se presenta un esquema del proceso:
Imagen 7. Esquema del proceso de electrospinning. Obtenida el 6 de Marzo de 2016 de:
http://sciencelearn.org.nz/Innovation/Innovation-Stories/Revolution-Fibres/Articles/Electrospinning-nanofibres
Como se puede ver en la Imagen 1, el típico montaje para la ejecución de la técnica de electrohilado consta de un capilar a la través del cual se expulsa la solución polimérica, una fuente de alto voltaje y un colector metálico. La fuente de alto voltaje posee dos electrodos que deben conectarse al lugar de salida de la solución y al colector donde se depositan las fibras. La técnica puede desarrollarse de manera horizontal o vertical, sin embargo al trabajar en posición vertical las gotas de solución que salen del capilar pueden caer sobre las fibras depositadas en el plato colector haciendo defectuosa la superficie de las mismas. Para impulsar la solución se puede utilizar una bomba de inyección; si se trabaja de forma horizontal la salida de la solución puede estar determinada por la fuerza de gravedad ligada a la viscosidad de la solución.
El proceso de electrohilado consiste entonces en dos partes: un sistema de pulverización y una superficie colectora, el ánodo de alto voltaje se conecta a la primera y el cátodo a la segunda. Las fibras que se producen poseen diámetros que van de las submicras a los nanómetros, en estos rangos se encuentran características únicas como lo son un gran área superficial en relación al volumen, flexibilidad en la superficie, alta porosidad y un alto rendimiento mecánico. Estas características hacen de estas fibras óptimas para diversas aplicaciones como: la ingeniería de tejidos, fabricación de matrices regenerativas, medios de filtración, componentes electromagnéticos, implantes dentales, sistemas de liberación de fármacos, tejidos biológicos, vasos sanguíneos artificiales, textiles, entre otras. A partir del proceso de electrospinning se pueden producir distintos tipos de fibras dependiendo de los parámetros involucrados. Cada tipo de fibras puede ser utilizado en aplicaciones diferentes.
La selección adecuada de los parámetros del proceso permite controlar el diámetro de las fibras y sus características para obtener resultados óptimos. Los parámetros que deben tenerse en cuenta y seleccionarse adecuadamente para el buen funcionamiento del proceso son: concentración de la solución del polímero, voltaje, flujo de salida, y distancia aguja-colector. En la Tabla 1 se presenta un resumen de los parámetros más importantes junto con sus efectos en las fibras.
Tabla 1. Parámetros de Electrospinning y sus características. [1]
4.2.2 Selección parámetros
Los parámetros del proceso están relacionados con las propiedades y características de las fibras obtenidas por lo cual su control durante la realización del proceso es indispensable. [1]
Concentración de la solución
La concentración de la solución es determinante para el tamaño y morfología de las fibras. La concentración del polímero influencia la viscosidad y la tensión superficial de la solución. A mayor viscosidad mayor diámetro de las fibras, no obstante si la viscosidad es muy alta se dificulta el paso de la solución a través del capilar. Cuando la concentración del polímero es muy pequeña las fibras se rompen en gotas antes de llegar al plato colector. En cuanto a la tensión superficial, a mayor tensión hay aparición de defectos en las fibras y a menor se obtienen fibras lisas debido a que la tensión superficial intenta reducir el área superficial por unidad de masa. Cuando se está en presencia de un alto voltaje se aumenta la superficie oponiéndose a la formación de beads y formando chorros delgados. Otro aspecto importante es la conductividad de la solución que está relacionada con el transporte de cargas y, por ende, con el estiramiento de la solución lo que permite obtener fibras más delgadas o más gruesas.
Para la solución viscoelástica que se va a utilizar en el proceso se seleccionaron los siguientes componentes:
§ Polímero
Los polímeros son materiales sintéticos que se obtienen por medio de distintas reacciones químicas a los que se les añaden aditivos para mejorar sus propiedades o características. Los polímeros son utilizados en gran medida para la fabricación de fibras sintéticas que tienen como ventaja ser resistentes a todo tipo de agentes externos, no necesitan planchado y la suciedad desaparece de ellas con facilidad.
El polímero seleccionado para la fabricación de telas en este proyecto es el poliéster C10H8O4 debido a que es un material utilizado en gran medida en la industria textil para la fabricación de fibras sintéticas. Se obtiene a partir de un diácido y de un diol; el poliéster se fabrica a partir de productos químicos derivados del petróleo o del gas no natural y requiere el uso de grandes cantidades de agua y recursos no renovables para el enfriamiento. No obstante, se puede considerar respetuoso con el entorno debido a que, al no estar mezclado, puede fundirse y reciclarse. Como propiedades se tiene que no es absorbente, conserva el calor, es resistente, flamable, tiene alta elasticidad, baja amplificación y alta tenacidad, entre otras.
Las fibras de poliéster son las más producidas, en volumen, alrededor de mundo porque tienen un costo bajo, una procesabilidad conveniente y un comportamiento excelente. Además se adaptan a mezclarse con fibras naturales tomando el aspecto, textura y tacto de las mismas. [16]
§ Solvente
La importancia del solvente en el proceso de electrospinning radica en que primero debe disolver las moléculas de polímero para formar el chorro con carga eléctrica y segundo debe llevar las moléculas de polímero hasta el colector. La constante dieléctrica tiene gran influencia en el proceso ya que puede reducir la formación de defectos y el diámetro de las fibras.
El solvente seleccionado es la acetona CH3(CO)CH3 que es un líquido incoloro de olor característico. Es soluble en agua, fácilmente inflamable y se evapora fácilmente (punto de ebullición de 56ºC). Este solvente tiene una constante dieléctrica de 27, una tensión superficial de 21.1 mN/m y una densidad de 1.393g/ml. [2]
§ Catalizador
Un catalizador es un agente que acelera o retarda el proceso químico sin participar en la reacción por lo que no consume ni modifica. La transformación de una resina de poliéster del estado líquido al sólido es conocida como curado o endurecimiento. Este proceso involucra la copolimerización de un monómero reactivo con las cadenas de poliéster formando un entrecruzamiento tridimensional de las cadenas del polímero con el monómero lo que convierte la resina en un material sólido infusible. Para que el curado se inicie y se propague se necesita la generación de radicales libres reactivos a partir de la descomposición de un catalizador o iniciador.
Para este proceso se ha seleccionado el peróxido metil-etil-cetona que es un peróxido orgánico que al entrar en contacto con el poliéster se descompone en radicales libres provocando la reacción de endurecimiento. Este catalizador permite que la solución de la resina de polímero y la acetona se dé y que, posteriormente al ser sometida a un alto potencial, el poliéster se endurezca.
Voltaje
El voltaje es uno de los parámetros de mayor importancia dentro del proceso de electrospinning ya que influencia el estiramiento de la solución debido a la fuerza de coulomb en el chorro y la magnitud del campo eléctrico. Así mismo, el voltaje aplicado influye en el tamaño de las fibras, aparición de defectos y el impulso para la llegada de la solución al placo colector. Un alto voltaje permite un mayor estiramiento de la solución reduciendo el tamaño de las fibras, además ayuda a que el disolvente se evapore. Para las pruebas de voltaje se utilizará un rango entre 10 y 30 kV.
§ Fuente de alto voltaje
Para el proceso de electrospinning se necesita una fuente de alto voltaje debido a que la solución de polímero debe ser sometida a un gran campo magnético para la formación de las fibras. Un alto voltaje ocasiona un mayor y adecuado estiramiento de la solución debido a las fuerzas de coulomb así como un mayor campo eléctrico.
Debido a la restricción de presupuesto que se tiene y al alto costo de las fuentes de alto voltaje comerciales, fue necesario buscar alternativas económicas para este componente del proceso. La Universidad de los Andes cuenta con un Laboratorio de Altas Energías en el Departamento de Física. Las fuentes HV que tienen para préstamo, dan un máximo de 10 kV por lo cual se usaron para realizar las primeras pruebas del proceso. También se utilizó una fuente de alto voltaje diseñada y fabricada por el estudiante de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Electrónica Andrei Alberto Cuenca Demidova.
Flujo de salida
El flujo de salida de la solución es de gran importancia para la fabricación de las fibras. A menor flujo de salida el disolvente tiene mayor tiempo para evaporarse lo cual evita la formación de defectos en las fibras. Al incrementarse el flujo, se incrementa el diámetro de las fibras y el tamaño de los defectos. Además de esto, el flujo de salida determina la cantidad de solución disponible para el proceso. Un mínimo volumen a la salida de la aguja, permite obtener un cono de Taylor estable.
Distancia aguja-colector
La variación de la distancia entre la aguja y el colector puede tener efecto en la morfología de las fibras. A una distancia muy grande se puede causar el rompimiento de las fibras debido a su propio peso. Sin embargo, se requiere una mínima distancia que le dé a las fibras el tiempo suficiente para que el solvente se evapore antes de llegar al colector.
Humedad ambiental
Los parámetros ambientales también son de gran importancia en este proceso debido a que a mayor porcentaje de humedad aparecen poros en la superficie de las fibras. La humedad afecta especialmente la morfología de las fibras cuando se trabaja con disolventes volátiles. Así mismo, la humedad puede afectar la velocidad de evaporación del disolvente. A una humedad relativa alta, un disolvente volátil puede tardar en evaporarse. Además, la temperatura puede incrementar la velocidad de evaporación y reducir la viscosidad de la solución. Es importante tener presente estos parámetros en el momento de fabricar las fibras.
4.2.3 Condiciones de hilatura
A partir la bibliografía consultada, se establecieron los rangos de los parámetros estudiados y se experimentó con estos rangos para poder observar con cuáles se obtenía un mejor resultado. De acuerdo a esto, se eligieron las condiciones de hilatura presentadas en la Tabla 2 que son aquellas que dan un mejor resultado en cuanto a la fabricación de las fibras. Los resultados obtenidos en las distintas pruebas se presentan en el capítulo 5.
Polímero Poliéster
Disolvente Acetona
Concentración de polímero 100 ml de Poliéster en 125 ml de acetona
Dimensiones de la aguja (𝛟𝐢𝐧𝐭𝐞𝐫𝐢𝐨𝐫 𝐱𝐥𝐨𝐧𝐠𝐢𝐭𝐮𝐝) [mm]
0.7 x 40
Distancia aguja colector [mm] 120
Diferencia de potencial aplicada [kV] 0-30
Caudal de polímero [ml/h] 0.5
Tabla 2. Condiciones de electrospinning.
Es importante tener en cuenta que en el momento de experimentar con otro material (polímero o materia prima de fibra) y/o disolvente los parámetros del proceso pueden variar. Esto se debe a que los parámetros de esta técnica están relacionados directamente con las propiedades y comportamiento de la solución utilizada. De esta manera, cada solución reacciona de manera distinta frente al proceso por lo cual en otros reportes que utilizan distintas soluciones la concentración de polímero, distancia aguja-colector, flujo y potencial aplicado cambian significativamente.
4.3 Fabricación prototipo de concepto
Para la fabricación del prototipo de concepto, se tuvo en cuenta el montaje básico necesario para llevar a cabo la técnica de electrospinning. De esta forma, se fabricaron y consiguieron los componentes necesarios para realizar el montaje. Para el diseño del prototipo de concepto se tuvo como base el proyecto Electroloom descrito anteriormente. Sumado a esto, se pensó en un prototipo que pudiera fabricarse de forma fácil y pudiera ser utilizado en el hogar. El prototipo fabricado permite la experimentación del proceso de electrospinning para la generación de telas no tejidas a partir del uso de distintos materiales y la variación de los parámetros del proceso.
4.3.1 Fuente de Alto Voltaje
Para las primeras pruebas realizadas en las cuales se comprobó que era posible la fabricación de fibras a partir del método de electrospinning, se utilizó una fuente de alto voltaje del Departamento de Física de la Universidad de los Andes. Esta fuente alcanza un voltaje de máximo 10 kV el cual no permitía obtener los resultados adecuados puesto que las fibras formadas presentaban imperfecciones ya que el solvente no alcanzaba a evaporarse completamente. Debido a esto fue necesario buscar alternativas.
Se utilizó, entonces, una fuente de alto voltaje diseñada y fabricada por Andrei Alberto Cuenca Demidova en su proyecto de Problema Especial “Diseño y construcción de una fuente de alto voltaje para la implementación de la técnica de electrospinning”.
Imagen 8. Esquemático de la fuente de alto voltaje realizado por Andrei Alberto Cuenca Demidova.
El circuito de la fuente HV consta de dos partes dividida en varias etapas:
Para el primer circuito, la primera etapa consiste en un transformador el cual convierte el voltaje de la toma de 120 VAC a 30 VAC. La segunda etapa es un rectificador que convierte la señal de 30 VAC a 30 VDC. Sin embargo, en esta etapa, se produce un error de resado. Para corregir este error, se implementó una etapa de filtro que permite que se dé un voltaje de DC completamente pura. Luego de esto, sigue una etapa de regulador para que se den una corriente y voltaje estables. En este caso, el voltaje puede ser regulado por medio de una perilla. Se tiene otro circuito con un driver del flyback que se encarga de manejar las corrientes y de producir, mediante el flyback en el embobinado, el alto voltaje. En este circuito, es en el que se manejan altas corrientes y se utilizar transistores de alta potencia. En la Imagen 3 se presenta el esquema de las etapas de la fuente de alto voltaje fabricada.
A partir de esto, el estudiante Andrei Cuenca realizó el CAD de la fuente que se muestra en la Imagen 4 y la fabricación de la fuente que se presenta en la Imagen 5.
Imagen 10. Modelo CAD de la PCB. [8]
Imagen 11. PCB fabricada y ensamblada. [8]
El tiempo de funcionamiento del driver 2N3055 utilizado en esta fuente, se encuentra afectado por la potencia utilizada. Por esta razón se utilizaron disipadores y refrigeradores para aumentar el tiempo de funcionamiento del circuito. No obstante, el tiempo que permanece funcionando no es suficiente para la fabricación de la tela no tejida sino únicamente para la fabricación de algunas fibras. Además, se presentaron fallas a causas de picos de voltaje que ocasionaban que algunos componentes se quemaran.
A continuación se muestra la fuente de alto voltaje instalada en el montaje de electrospinning:
Protocolo seguridad:
Debido a que se va a trabajar con un alto voltaje y, en algunos casos, con alta corriente y que la resistencia del cuerpo humano tiende a ser muy baja, con el aumento del voltaje hay una menor resistencia al paso de corriente. De acuerdo a esto deben seguirse las siguientes recomendaciones: verificar el estado del circuito y sus componentes en cada mantenimiento; retirar todo elemento metálico del cuerpo; manipular los terminales con guantes aislantes; verificar las conexiones antes de encender el generador y no manipular mientras el mecanismo se encuentre en funcionamiento. [8]
Debido a los problemas presentados con la fuente finalmente fue necesario utilizar una mini grúa de carro para sacar una mejor muestra de la tela. Para un mejor funcionamiento del proceso es necesario fabricar una nueva fuente de alto voltaje que pueda permanecer encendida una mayor cantidad de tiempo o comprar una comercial.
4.3.2 Diseño prototipo impresora
Para la fabricación del prototipo de concepto, primero fue necesario realizar una etapa de diseño y selección de cada uno de los componentes del montaje.
Primero se realizó el diseño y fabricación de un montaje simple para el proceso de electrospinning con el fin de variar los parámetros de la técnica y asegurar la producción de la tela.
Imagen 13. Montaje para experimentación del proceso de electrohilado.
En la Imagen 3 se muestra el montaje inicial que se utilizó para la experimentación del proceso de electrohilado. En este caso se utilizó una fuente HV de 10 kV, una placa metálica como colector, una aguja con su soporte y una jeringa conectada a la aguja y a un tanque para bombeo por gravedad. Con este montaje se comprobó que el proceso funcionaba para la generación de fibras poliméricas y, por ende, para la fabricación de telas no tejidas.
Con este montaje se pudo observar que la fuente HV no daba la cantidad de voltaje necesaria para producir las fibras adecuadas, así mismo fue evidente que, al tener una placa metálica estática como colector, se ocasionaba que las fibras se formaran de manera muy desordenada y que el proceso tomara más tiempo. Este montaje permitió variar los parámetros de tal forma que se pudiera diseñar y fabricar un prototipo óptimo para el proceso.
A partir del diseño preliminar, se procedió a diseñar el prototipo teniendo en cuenta las necesidades del proceso y los componentes del mismo. Se necesitaron los siguientes componentes principales: cabina de hilatura, fuente de alimentación de alto voltaje, conducto y aguja, soporte aguja y colector rotatorio.
Colector
El primer componente que se diseñó fue el colector rotatorio teniendo en cuenta los requerimientos especificados. Debido a que debe estar conectado a la fuente de alto voltaje, el colector debía fabricarse en metal. Además, como iba a estar en contacto con la solución, se decidió hacerlo en acero inoxidable.
Se decidió realizar un cilindro con el fin de que durante el proceso las fibras se enrollaran alrededor del cilindro formando la tela.
Imagen 14. CAD diseño cilindro colector.
Mecanismo y soporte aguja
En un principio se pensó fabricar un eje con un soporte para la aguja que se deslizara sobre éste. No obstante, por facilidad en la fabricación del mecanismo se decidió utilizar el mecanismo de los cartuchos de una impresora LEXMARK. Este mecanismo cumple con moverse en el eje x.
Se decidió adaptar el mecanismo a la impresora 3D a fabricar, para esto, se diseñó un soporte de aguja para ubicarse en el espacio de los cartuchos. El soporte sería en acrílico para que sirviera como aislante de la corriente proveniente de la fuente de alto voltaje.
Imagen 16. CAD diseño soporte aguja.
Tanque y base tanque
Como se decidió realizar el bombeo por gravedad se optó por utilizar un tanque de vidrio para depositar la solución el cual debía estar conectado a una manguera para que pasara el fluido a la aguja. Para el tanque se decidió un tubo de 10cm de alto y 4cm de diámetro, además de la parte de abajo salía un tubo de 1 mm el cual se conectaría a la manguera con abrazaderas plásticas.
Para soportar el tanque se decidió fabricar una base en acrílico que también permitiera el paso de la manguera. Además de esto, en la base puede ubicarse también la parte electrónica del sistema.
Cabina de hilatura
Debido a las medidas del colector y el peso del mismo se optó por diseñar una cabina metálica. Las medidas de la cabina se eligieron teniendo en cuenta las medidas del colector y del mecanismo de la aguja, por lo cual las medidas establecidas fueron 32x42x15cm. De esta forma se garantizaba que la distancia entre la aguja y el colector fuera de 12cm como se estableció en la selección de parámetros.
Teniendo en cuenta que el colector va conectado a una gran diferencia de voltaje, se decidió realizar el soporte del mismo en acrílico para aislar la corriente.
4.3.3 Fabricación prototipo impresora
Teniendo en cuenta el diseño del prototipo se llevó a cabo la fabricación del mismo. En la Tabla se muestran cada uno de los elementos fabricados, el método de fabricación y el resultado de cada uno.
Componente Método de Fabricación Resultado
Cilindro Colector Se fabricó en acero inoxidable en torno. Se abrió un hueco al cilindro para poder atornillarlo y unirlo a un piñón.
Soporte Aguja Se fabricó en láminas de acrílico transparente que se unieron entre sí. Se abrió un hueco por el cual pasa la aguja.
Soportes Colector Se fabricaron dos soportes para el colector en acrílico por medio de corte por láser.
Base Tanque Se fabricó la base a partir de la unión y corte de láminas de acrílico transparente. En la parte superior se abrió un hueco para insertar el tanque y en la parte posterior se abrió otro para que pase la manguera por ahí. Este elemento sirve también de base para la parte electrónica del prototipo.
Tanque Se fabricó un tanque para bombeo
por gravedad por el método de vidrio soplado.
Cabina Hilatura Se cortaron las piezas de la cabina de hilatura en acero cold rolled, luego se utilizó una dobladora MGH 3106, una cortadora APHS 31120 y finalmente se soldaron las piezas en la fábrica Frencher.
Además de los componentes anteriores se compraron dos piñones para el movimiento del cilindro, rodamientos para el colector, una manguera de silicona para conducir el fluido del tanque a la aguja y una aguja metálica.
El ensamblaje de las piezas se hizo con tornillos y para la conexión de la fuente de alto voltaje con la aguja y el cilindro colector se utilizó cinta aislante. Se utilizaron rodamientos para ubicar el cilindro sobre los soportes y un sistema de dos piñones para que al prender el motor girara el cilindro y el motor permaneciera estático.
En las imágenes 18 y 19, se muestra el prototipo de impresora fabricado a partir del diseño realizado.
Imagen 18. Prototipo de concepto fabricado.
4.4 Código de implementación del movimiento en prototipo
Esta etapa consiste en el desarrollo e implementación de un algoritmo que permita fabricar la tela no tejida. El código se realiza en Arduino y tiene como propósito hacer rotar el cilindro colector y mover, en el eje x, el soporte de la aguja con el fin de obtener las telas con la forma deseada.
Para el movimiento del soporte de la aguja, se utiliza un motor DC de 12 V y para el movimiento del colector un motor de paso. A partir de los esquemas en la Imagen 4 y en la Imagen 5 se hizo la conexión de los drivers (REPRAPGURU para el motor de paso y PUENTE H L293 para el motor DC), los motores, una fuente ATX y la tarjeta arduino Mega2560. De esta forma, al cargar el código a la tarjeta y prender la fuente ATX, el colector y el soporte de la aguja comienzan a moverse simultáneamente. En la Imagen 22 se muestra el montaje realizado para la parte electrónica del sistema.
Imagen 20. Esquema driver para el colector. (REPRAPGURU) Obtenido el 10 de mayo de 2016 de:
http://www.hobbyist.co.nz/?q=stepper-motor-controller-A4988
Imagen 21. Esquema driver soporte de aguja. (Puente H L293) Obtenido el 10 de mayo de 2016 de: http://www.prometec.net/hbridge/
Imagen 22. Fuente atx, protoboard y tarjeta arduino utilizadas para generar el movimiento del sistema.
El código realizado se presenta a continuación:
Con este código, puede variarse la cantidad de pasos del motor de paso y, con esto, la velocidad del mismo. Además puede variarse la velocidad del motor DC. De esta forma, se puede jugar con las velocidades para obtener los resultados deseados.
5.
Resultados
5.1 Selección de parámetros de Electrospinning
Para llegar a las condiciones de hilatura mencionadas anteriormente, se realizaron distintas pruebas variando los parámetros con el fin de seleccionar los más adecuados para el proceso. A continuación se presentan los resultados obtenidos en algunas de las pruebas que llevaron a la elección de las condiciones de hilatura.
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Prueba Concentración Polímero Distancia aguja-colector (mm) Aplicado (kV) Voltaje Aguja (mm) Diámetro Caudal (ml/h) Observaciones
1 30% 80 10 0.8 10 Fabricación de pequeños
filamentos desordenados, con alta presencia de gotas.
2 30% 80 10 0.7 10 Fabricación de pequeños
filamentos desordenados. Disminuye presencia de gotas.
3 30% 80 10 0.6 10 Fabricación de pequeños
filamentos desordenados, con alta presencia de gotas.
4 50% 120 30 0.7 5 Fabricación de micro fibras
desordenadas. Algunos pedazos de poliéster. No se evapora por completo el solvente.
5 60% 120 30 0.7 5 Fabricación de micro fibras
desordenadas. No se evapora por completo el solvente.
6 70% 120 30 0.7 5 Fabricación de micro fibras
desordenadas. No se evapora por completo el solvente.
7 70% 120 30 0.7 0.5 Fabricación de micro fibras
desordenadas. Mayor evaporación del solvente. Algunas imperfecciones.
8 75% 120 30 0.7 0.5 Fabricación de micro fibras que al unirse entre sí generan una tela fibrosa. Buena evaporación del solvente. Algunas imperfecciones. 9 80% 120 30 0.7 0.5 Fabricación de microfibras que al
unirse entre sí generan una tela fibrosa. Mejor evaporación del solvente.
10 90% 120 30 0.7 0.5 Se dificulta el paso de la solución a través de la aguja. Alta viscosidad.
Tabla 4. Resumen de resultados obtenidos en las distintas pruebas realizadas.
Se observa que un bajo campo magnético, junto con un alto caudal, ocasiona que no se alcance a evaporar el solvente y, por ende, lleva a la formación de fibras con gotas. Al aumentar el voltaje puede aumentarse también la distancia entre la aguja y el colector. Esto da campo a que se pueda evaporar el solvente. Así mismo, se disminuye drásticamente el caudal y se aumenta la concentración de polímero para ayudar a la evaporación del mismo.
A partir de los resultados obtenidos en las distintas pruebas, se puede decir que al aumentar la viscosidad se dificulta el paso de la solución a través del capilar y al disminuirla las fibras se rompen en gotas antes de llegar al colector. Además, al aumentar el flujo de salida, se forman fibras más gruesas pero con imperfecciones. Al disminuir el flujo de salida, hay mayor tiempo para la evaporación del solvente; lo que genera fibras sin defectos. También pudo verse que, en cuanto a la distancia entre la aguja y el colector, si ésta aumenta, las fibras pueden romperse debido a su propio peso. Pero debe haber una distancia mínima que permita la evaporación del solvente. Por tanto debe encontrarse una distancia óptima que evite la formación de defectos.
Durante las pruebas de hilatura se pudo observar la formación del cono de Taylor previo al haz de polímero y formación de gota previa al cono de Taylor cuando la tensión aplicada es baja. Las fibras obtenidas se presentan totalmente desordenadas, con una variación de diámetros y diferencia de aspectos. Hay zonas donde las fibras no quedan completamente definidas lo cual puede ser a causa de que el disolvente no se haya evaporado completamente.
5.2 Comparación fibras fabricadas y fibras comerciales
A partir de los resultados obtenidos se procedió a analizar las fibras de la tela y compararlas con las fibras que se encuentran comercialmente. Para esto se realizó una caracterización por SEM.
Para empezar se analizaron fibras de poliéster comerciales de la marca Polyfill y se obtuvieron los siguientes resultados:
Posteriormente, se analizaron las muestras obtenidas en pruebas del prototipo fabricado bajo las condiciones de hilatura especificadas y se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 5. Imágenes obtenidas a partir de microscopía electrónica de barrido de las fibras de poliéster obtenidas.
A partir de los resultados obtenidos por microscopía electrónica de barrido, se puede observar que las fibras de poliéster comerciales tienen un diámetro de 50 µm aproximadamente, así mismo tienen pequeñas fibras nanométricas que las conforman y tienen un diámetro de 300 nm aproximadamente.
En el caso de las fibras obtenidas en el prototipo fabricado, las fibras están conformadas por fibras nanométricas de alrededor de 340 nm de diámetro y las fibras obtenidas tienen un diámetro de 13 µm aproximadamente. En las puntas de las fibras obtenidas se disminuye el diámetro hacia los 5 µm. Si bien todas las fibras obtenidas tienen diámetros similares, se puede observar que su estructura varía mucho. Algunas fibras e incluso algunas partes de la muestra obtenida a través del proceso de electrospinning, presenta pedazos de poliéster que no alcanzan a convertirse en fibra.
Al comparar las fibras comerciales con las obtenidas en este proyecto se puede observar que las comerciales presentan una superficie más lisa y con menos imperfecciones, además son fibras de mayor tamaño. Esto puede ser ocasionado por falta de calibración en el proceso de electrohilado en el proyecto.
5.3 Funcionamiento de prototipo impresora e implementación del código
Las pruebas del funcionamiento de prototipo impresora consistieron en varias etapas. La primera etapa fue probar que el colector y el sistema de soporte de la aguja funcionaran sin programar el movimiento, es decir: que el colector rotara y el soporte de la aguja se trasladara en el eje x. La segunda etapa fue implementar el código de movimiento en la impresora para calibrar la velocidad de los movimientos para ambos componentes. Una vez se probó que el movimiento funcionara, se procedió a implementar el proceso de electrohilado. La tercera etapa fue conectar la fuente de alto voltaje y poner a funcionar la impresora para ver que se generara un campo magnético entre el colector y la aguja. Para la cuarta y última etapa se dejó fluir la solución polimérica con el fin de observar que se formaran las fibras de poliéster.
A partir de las pruebas se obtuvo como resultado un prototipo de impresora 3D funcional para la generación de micro fibras que al superponerse y atraerse entre sí son capaces de generar telas no tejidas.
Imagen 23. Generación de tela en proceso.
Al probar el funcionamiento del prototipo fabricado, se pudo observar que la técnica de electrospinning permite obtener matrices hiladas nanofibrosas no tejidas a partir de una solución polimérica. El resultado que se obtiene varía dependiendo de los parámetros del proceso seleccionados. En la Imagen 23 se presenta la fabricación de la tela en proceso, se utiliza papel aluminio para que la tela pueda retirarse fácilmente del colector. Debido al tamaño de las fibras es difícil manipularlas y poder observarlas bien por lo cual se necesita de un gran periodo de tiempo para que se fabrique la tela. Utilizar varias agujas, en lugar de una sola, que expulsen la solución puede acelerar el proceso. Además, fue evidente que el hecho de hacer rotar el cilindro y desplazar la aguja permite obtener una tela más uniforme y ordenada.
